遥感技术与应用, 2022, 37(2): 499-506 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2022.2.0499

数据论文专栏

巴音河流域高时空分辨率叶面积指数数据集

傅笛,1,2, 金鑫,1,2,3, 金彦香1,2,3, 毛旭锋1,2,3, 翟婧雅1,2

1.青海师范大学 地理科学学院,青海 西宁 810016

2.青海省自然地理与环境过程重点实验室,青海 西宁 810016

3.高原科学与可持续发展研究院,青海 西宁 810016

High Spatial and Temporal Resolution Leaf Area IndexDataset of Bayin River Basin

Fu Di,1,2, Jin Xin,1,2,3, Jin Yanxiang1,2,3, Mao Xufeng1,2,3, Zhai Jingya1,2

1.School of the Geographical Science,Qinghai Normal University,Xining 810016,China

2.Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Processes,Xining 810016,China

3.Academy of Plateau Science and Sustainability,Xining 810016,China

通讯作者: 金鑫(1988-),女,青海西宁人,博士,副教授,主要从事生态水文学研究。E⁃mail:jinx13@lzu.edu.cn

收稿日期: 2021-08-10   修回日期: 2022-02-18  

基金资助: 国家自然科学基金项目“基于模型改进的高寒内陆河流域地下水补排关系研究”.  41801094
青海省科技厅自然科学基金项目“基于模型改进的柴达木盆地植被恢复的土壤水资源响应研究”.  2021⁃ZJ⁃705

Received: 2021-08-10   Revised: 2022-02-18  

作者简介 About authors

傅笛(1997-),女,重庆荣昌人,硕士研究生,主要从事水文过程方面的研究E⁃mail:fud2020@163.com , E-mail:fud2020@163.com

摘要

叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)是表征地表特征变化的重要指标之一,也是陆表、水文等模型的重要参数。本数据集是基于增强型时空自适应反射率融合模型(ESTARFM),将全球陆地表层卫星(GLASS)LAI(8d/500m)、中分辨率成像光谱仪(MODIS)MOD13A1和MYD13A1、陆地卫星Landsat-7 ETM+和Landsat-8 OLI数据,进行融合,得到8 d/30 m分辨率的LAI,通过分段线性内插最终得到巴音河流域高时空分辨率LAI(1 d/30 m)。对比高时空分辨率LAI(1 d/30 m)与GLASS LAI产品的时空特征,验证数据集精度。结果表明:与原始GLASS LAI相比,本数据集在空间上具有与GLASS LAI一致的分布特征,且轮廓与纹理更为清晰。在时间上,二者具有相同的月际变化特征,且由1 d/30 m LAI估算的区域月平均LAI和区域8日平均LAI与原始GLASS LAI存在显著正相关性,R2分别为0.95、0.94,Pearson积矩相关系数均为0.97,P值均小于0.01。此数据集可为陆表过程、水文循环等模拟提供重要的数据支持,为监测植被-陆表-大气循环的变化提供重要依据。

关键词: GLASS LAI ; ESTARFM模型 ; 高时空分辨率 ; 数据集

Abstract

Leaf Area Index (Leaf Area Index, LAI) is one of the important indicators to characterize the changes of land surface characteristics, as well as an important parameter of land surface and hydrological models.This dataset was based on GLASS LAI (8 d/500 m), combined with MOD13A1, MYD13A1 and Landsat 7-ETM+,Landsat 8-OLI data. First, ESTARFM model was used to synthesize LAI at 8 d/30 m resolution, and then LAI with high spatial and temporal resolution (1 d/30 m) was obtained by time linear interpolation. The spatial and temporal characteristics of LAI with high spatial and temporal resolution (1 d/30 m) were compared based on GLASS LAI products to verify the accuracy of the data set. The results show that the distribution features of this data set are basically consistent with that of GLASS LAI in space, and the contour and texture are clearer. In terms of time, they have the same intermonthly variation characteristics, and the regional monthly average LAI and regional 8-day average LAI estimated by 1 d/30 m LAI have a significant positive correlation with the original GLASS LAI, R2 are 0.95 and 0.94, respectively. Pearson product moment correlation coefficients are 0.97, P values are all less than 0.01.

Keywords: GLASS LAI ; ESTARFM model ; High spatial and temporal resolution ; Dataset

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本文引用格式

傅笛, 金鑫, 金彦香, 毛旭锋, 翟婧雅. 巴音河流域高时空分辨率叶面积指数数据集. 遥感技术与应用[J], 2022, 37(2): 499-506 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.2.0499

Fu Di, Jin Xin, Jin Yanxiang, Mao Xufeng, Zhai Jingya. High Spatial and Temporal Resolution Leaf Area IndexDataset of Bayin River Basin. Remote Sensing Technology and Application[J], 2022, 37(2): 499-506 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.2.0499

1 引 言

叶面积指数(LAI)被定义为单位水平地表面积上绿叶表面积总和的一半1,对植被—陆表—大气循环有重要影响,是生态系统的重要结构参数之一2。它被视为反应全球变化的基本变量之一2,亦是许多陆面过程模型和生态水文模型的重要输入参数3-5

目前,基于遥感的LAI因覆盖范围广、易获取、高时效等优势6而被广泛应用。研究表明,大多数自然和人工的生态系统存在空间异质性,空间分辨率在10~100 m之间的LAI遥感产品更能表达实际情况3-4。此外,为了更好地监测快速变化的地表信息,遥感数据时间周期越短越好7。然而目前,同时兼顾高时间和高空间分辨率的LAI遥感产品较为缺乏。目前,全球LAI遥感产品主要有MODIS(the Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer )8、GLASS(Global Land Surface Satellite)9、GEO(Geoland)10、GLOBMAP11等,虽然部分产品时间分辨率为1 d,但是空间分辨率普遍偏低(大于或等于300 m)。经大量研究对比及验证12-15,时空分辨率为8 d/500 m的GLASS LAI在空间上完整、时间上连续,且具有较高精度。然而其较低的空间分辨率限制了其应用。

多源遥感数据时空融合模型,如STARFM((Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model)16、ESTARFM(Enhanced Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model)17、FSDAF(Flexible Spatiotemporal Data Fusion Model)18等,是获取高时空分辨率遥感数据的有效手段。这些模型可结合不同遥感数据时间和空间分辨率的优势,通过特定算法将其融合产生高时空分辨率遥感数据19

众多模型中,增强型自适应反射率时空融合模型ESTARFM已广泛并成功应用于对植被覆盖20、NPP21、LAI22、降水23、灌溉24等的监测,它不仅对异质景观和相识像元有较高预测精度和识别能力,还能保留更多的空间细节16,较其他一些模型精度更高25-27。ESTARFM模型通常通过两种方式实现,即BI(Blend-then-Index)和IB(Index-then-Blend),前者是先融合原始影像,再计算所需指数,后者相反。相关研究证明IB方式具有较高准确性28

巴音河流域位于柴达木盆地东北缘(如图1),位于德令哈市境内,是柴达木盆地第四大内陆河,亦是盆地内重要的粮食生产基地。该流域发源于祁连山南坡宗务隆山区,经德令哈市后,分别注入克鲁克湖、尕海湖,属于典型的高原荒漠半荒漠干旱性气候,土地覆被类型主要为草地和荒漠。其生态环境脆弱,水资源短缺29。受人类活动、气候变化的影响,巴音河流域水资源供需矛盾和生态环境问题日益突出30。本研究拟基于2014~2018年GLASS LAI、MOD13A1、MYD13A1、Landsat-7-ETM+、Landsat-8 OLI数据,通过ESTARFM-IB方式获取时间连续的8 d/30 m分辨率LAI,再结合分段线性内插得到1 d/30 m LAI。该数据可用于分析巴音河流域植物生长状态、植被覆盖、生态系统变化,亦可为陆面过程模型构建、水文过程模拟提供重要数据支持,也为巴音河流域生态环境保护提供重要的科学依据。

图1

图1   研究区概况图

Fig.1   The study area


2 数据源与预处理

2.1 GLASS LAI

研究采用的GLASS LAI数据集由北京师范大学全球变化处理与分析中心(http:∥www.glass.umd.edu/Download.html)发布。研究采用最新的GLASS LAI v5数据,其时空分辨率为8 d/500 m,时间序列为2000~2018年。该数据集是将MODIS LAI和CYCLOPES LAI产品通过加权线性组合生成融合LAI11,利用融合的LAI 和预处理的AVHRR/MODIS地表反射率数据建立训练样本,在BELMANIP(Benchmark Land Multisite Analysis and Intercomparison of products)站点上,采用GRNN(广义回归神经网络)对每种生物群落类型进行训练11。最终以AVHRR/MODIS地表反射率为输入数据,生成全球长时间序列的LAI31。研究所采用的GLASS LAI v5数据,行列号为h25v05,时段为2014年1月1日至2018年12月27日。

2.2 MODIS及Landsat数据

研究采用的MODIS数据为MOD13A1、MYD13A1产品(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search)的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)数据,时空分辨率均为16 d/500 m,行列号和成像日期与GLASS LAI一致。本研究采用的Landsat-7 ETM+、Landsat 8-OLI(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)数据,时空分辨率为16 d/30 m,行列号为135/34,数据获取时间与MODIS间隔不超过3 d。

2.3 数据预处理

利用ENVI5.3软件去除Landsat-7 ETM+、Landsat-8 OLI影像条带,并进行辐射定标、大气校正、裁剪等预处理。使用ArcGIS对GLASS LAI、MOD13A1和MYD13A1进行去除特异值、投影转换、重采样、裁剪等预处理。

3 方 法

3.1 高时空分辨率LAI获取技术路线

技术路线如图2所示,高时空分辨率LAI获取流程如下:①建立GLASS LAI与MOD13A1、MYD13A1 NDVI线性关系:基于2014~2018年GLASS LAI、MOD13A1、MYD13A1 NDVI的每一景影像,选取对应时间的样本点,提取样本点对应的像元值,通过这些像元值建立LAI与NDVI线性关系LAI-NDVI3233;②利用预处理后Landsat-7 ETM+、Landsat-8 OLI的红、近红波段计算Landsat NDVI;③将Landsat NDVI作为变量输入到LAI-NDVI线性关系中得到Landsat LAI;④将3期GLASS LAI和2期Landsat LAI输入ESTARFM模型中,融合得到8 d/30 m时空分辨率的LAI;⑤分段线性内插8 d/30 m LAI得到1 d/30 m的叶面积指数:以第i天和第i+8 d为节点,每隔8 d对8 d/30 mLAI每个像元建立时间与LAI的一元线性方程,以计算每个8 d内任一天的LAI。该方法简单易行,一元线性函数具有连续性,且不会出现区间内线性函数图像超出以两节点连线为对角线的矩形范围的越界现象34。该方法的不确定性在于无法拟合8日内LAI先增后减等波动变化情况。

图2

图2   高时空分辨率LAI计算流程图

Fig.2   Flow chart of LAI calculation with high spatial and temporal resolution


3.2 ESTARFM 模型

ESTARFM 模型是由STARFM 模型改进而来,它提高了基于滑动窗口相似像元的筛选精度,同时结合这些滑动窗口内相似像元信息,来预测中心像元的反射率,从而提高时空融合精度17。计算公式如下:

F(xw/2,yw/2,tp,B)=F(xw/2,yw/2,t0,B)+i=1NWi×Vi×(C(xi,yi,tp,B)-C(xi,yi,t0,B))

其中:F(xw/2,yw/2,tp,B)表示预测tp时刻高分辨率像元值;F(xw/2,yw/2,t0,B)表示t0时刻高分辨率像元值;C(xi,yi,tp,B)和C(xi,yi,t0,B)分别为低分辨率tp、t0时刻的像元值;w为滑动窗口大小;xw/2,yw/2为滑动窗口中心像元;N为相似像元的数量;xi,yi为第i个相似像元的位置;Wi为第i个相似像元的权重;Vi则表示第i个像元的光谱转换系数;B为影像的波段。

实际融合过程中,ESTARFM 模型需要5景影像,其中2对为同一时间(t0和tq)的Landsat LAI和GLASS LAI,结合处于t0和tq之间tp时刻的GLASS LAI,融合得到tp时刻8 d/30 m时空分辨率的LAI。

3.3 Pearson积矩相关系数

Pearson积矩相关系数大小用于描述两个变量间相关性的强弱35,本文利用其评价GLASS LAI与高时空分辨率LAI二者对应LAI值相关性的强弱,计算公式如下:

P(X-X¯)(Y-Y¯)(X-X¯)2(Y-Y¯)2

其中:X,Y为两个变量;X¯Y¯为两个变量的平均值。其范围为[-1,1],负值为负相关,正值为正相关,绝对值越接近1,相关性越强。

4 数据质量评估

GLASS LAI较其他遥感LAI产品具有较高精度和数据完整性,不确定性较低11,在时间变化上LAI值较为平滑,突变少936。Li等12基于实测LAI,对比了GLASS、GLOBALBNU、GLOBMAP、MODIS 4种LAI产品精度,表明GLASS LAI精度最优,在全球范围内R2=0.7,RMSE=0.96,在中国范围内R2=0.94,RMSE=0.61;Xiao等37使用实测LAI验证了GLASS LAI的精度,与MODIS LAI、GEO V1LAI相比较,GLASS LAI与实测LAI最为接近(除热带雨林外),R2为0.809 5,RMSE为0.784 8;向阳等36利用实测LAI验证对比了GLASS、MODIS、CYCLOPES 3种LAI产品精度,结果表明GLASS LAI精度最高,R2=0.76;孙晨曦等38在内蒙古草原基于实测LAI评估了GLASS LAI的准确性,R2达到0.72;骆月珍等6在常绿阔叶林地区以实测LAI为依据,比较了GLASS LAI、MOD15 LAI、MCD125 LAI的差异,发现GLASS LAI的R2=0.61,RMSE=1.20,优于MODIS LAI。基于上述研究,本研究认为GLASS LAI准确性较高。故将本研究得到的高时空分辨率LAI(1 d/30 m)数据集与GLASS LAI产品的时空特征进行对比,以验证数据集精度。

3.1 高时空分辨率 LAI的空间特征

为了验证高时空分辨率LAI空间精度,以2014年7月12日LAI为例,分析了原始GLASS LAI(8 d/500 m)与降尺度后的高时空分辨率LAI(1 d/30 m)空间特征,如图3所示,二者像元具有一致的空间分布,且高时空分辨率LAI提高了空间精度。如图3(b)所示,高时空分辨率LAI较原始GLASS LAI展示了更多空间细节(如细小河谷),轮廓与纹理特征更加明显,地物的边界更为清晰,提供了更多的地物空间信息。

图3

图3   原始GLASS LAI与高时空分辨率LAI空间特征对比

Fig.3   Comparison of spatial features between original GLASS LAI and LAI with high spatial-temporal resolution


4.2 高时空分辨率 LAI的时间特征

为验证本研究中的高时空分辨率LAI时间变化特征及其准确性,选取了30 265个样本点,分别计算了2014~2018年高时空分辨率LAI和原始GLASS LAI的区域月平均LAI值和区域8日平均LAI值,并计算了R2、Pearson积矩相关系数和P值,进行了相关性分析,计算了二者的区域月平均LAI差值。

图4显示了高时空分辨率LAI季节变化特征。如图4所示,高时空分辨率LAI很好地反映了不同季节,LAI值在空间上随着植物生长周期而动态变化,表现为研究区LAI值冬季最低(12月、1月、2月)—春季上升(3月、4月、5月)—夏季最高(6月、7月、8月)—秋季下降(9月、10月、11月),这种变化特征在植被覆盖较高的研究区东部最为明显。

图4

图4   2014~2018年季节变化下的高时空分辨率LAI空间分布

Fig.4   Spatial distribution of LAI with high spatial and temporal resolution under seasonal variation from 2014 to 2018


图5(a)显示了高时空分辨率LAI与原始GLASS LAI呈现一致的月际变化,其中1月最低,7月或8月最高,高时空分辨率LAI较原始GLASS LAI的差值在-0.005~0.900之间,其中春秋两季的差值最小,夏季的差值最大,且在夏季时GLASS LAI的区域月平均LAI值越小,差值越大。图5(b)和5(c)显示了高时空分辨率LAI与原始GLASS LAI的区域月平均LAI值和区域8日平均LAI值存在良好线性关系,表1显示了二者与原始GLASS LAI相关系数,R2分别为0.95、0.94,Pearson积矩相关系数均为0.97,P值均小于0.01,二者存在显著正相关,再次表明高时空分辨率LAI的可靠性。

图5

图5   2014~2018年GLASS LAI与高时空分辨率LAI对比分析

Fig.5   Comparative analysis of GLASS LAI and LAI with high spatial-temporal resolution during 2014~2018


表1   高时空分辨率LAI与原始GLASS LAI相关系数结果

Table 1  Results of correlation coefficient between high temporal and spatial resolution LAI and original GLASS LAI

R2Pearson积矩相关系数P
区域月平均LAI值0.950.97<0.01
区域8日LAI平均值0.940.97<0.01

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5 结 论

本数据是1 d/30 m时空分辨率的叶面积指数(LAI),经验证有较高精度,与原始GLASS LAI相比,空间上二者具有基本一致的分布特征,且本数据集展示了更为清晰的轮廓与纹理,时间上具有一致的变化特征,LAI值呈显著正相关。该数据可为巴音河流域提供高时空分辨率LAI,对陆面过程、水文过程等模拟提供重要数据支持,也为巴音河流域地表覆被变化研究提供支撑,对区域生态保护和监测具有重要意义。

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MODIS,CYCLOPES和GLASS 3种LAI产品在韩江流域的对比

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不同插值方法绘制断面图效果分析

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